植物可以指导下一代太阳能电池板的设计吗？
太阳能电池板在阳光充足的情况下工作良好，但许多地区每天都阳光很少，这意味着产生的能源比需要的要少。现在塔夫茨大学的研究人员发现，一种在弱光条件下生长旺盛的宝石兰花可能为解决这个问题提供了关键。工程学院教员 Giulia Guidetti 和 Fiorenzo Omenetto在《先进光学材料》杂志上发表的一篇论文中报告称，Macodes petola 宝石兰的叶子由圆顶状细胞组成，这些细胞可以捕获比普通植物“皮肤”细胞多三倍的光，并与邻近细胞共享光，本质上起到光学网络的作用。
这个联网过程最大限度地利用了植物可以利用的光，将阳光转化为化学能，这对植物的功能至关重要。
研究人员利用一种基于丝蛋白的生物材料复制了这些细胞模式，模仿了兰花的光收集和光学网络功能，并表示用这种材料制成的太阳能电池板“将超越现有的柔性太阳能电池”，塔夫茨大学 Frank C. Doble 工程学教授兼丝绸实验室主任 Omenetto 说。
现在，生物医学工程系研究助理教授 Guidetti 和 Omenetto 获得了一项资助，以进一步研究植物光收集系统以及应用这些系统的光学网络来提高太阳能效率的可能性。
有趣的模式
盖德蒂偶然发现了这种植物的特殊属性。她说，疫情期间她买了很多室内植物，尤其喜欢那些叶子闪亮、金属质感的植物，她对它们为什么会这样很感兴趣。
“我把它们放在显微镜下，发现它们的叶子表面并不像普通叶子那样平坦，而是有微小的图案，”她说。“这完全是出于好奇。”
植物吸收阳光并将其转化为葡萄糖——一种维持地球上所有生命的能量形式。植物的表皮细胞（或皮肤细胞）负责吸收阳光。
植物学报告已经指出，一些宝石兰花中的这些细胞呈圆锥形，并表明它们可能提高聚光效率，从而最大限度地转化为能量，这对于在自然界中低光照条件下生存的植物是必不可少的。
但其他研究人员尚未研究细胞形状和排列如何影响其光合作用光能的能力，Guidetti 和 Omenetto 在论文中表示。
兰科植物叶片的光学响应：Macodes petola、Ludisia discolor、Anoectochilus roxburghii 和 Phalenopsis phantom（普通兰花）。
丝绸实验室副主任 Guidetti 说，通过仔细观察 Macodes petola 宝石兰，他们发现其表面细胞并不像许多植物那样是扁平或圆锥形的，而是更像圆顶状。
“我们认为它的工作原理是，光线来自顶部，而不是仅仅聚焦在叶绿体所在的叶子内部，圆顶的存在基本上使光线能够散布到叶子的表面上，也允许非直接照明的细胞进行光合作用，从而导致整体光转换效率更高，”她说。
复制自然的模式
在绘制出表面细胞的类型、连接和变异性之后，研究人员决定复制它。他们在叶子表面涂上一层薄薄的硅聚合物，形成叶子表面的负片复制品。然后，他们在上面倒上透明的丝蛋白混合物，创造出叶子上细胞图案微观形状的精确副本。
蚕丝由蚕生产，然后加工成水溶液，Omenetto 和其他 Silklab 研究人员利用这种材料制造了各种各样的产品，从可吸收的电子产品到生物相容性传感器。Omenetto 表示，蚕丝也可以大规模商业化生产，蚕场每年生产约 50 万吨蚕丝。
研究人员写道，基于丝绸的叶子“忠实地再现了”植物细胞的圆形、六边形排列和“可见光照射时相邻细胞之间看到的交叉通讯，类似于在植物叶子中观察到的”。
Guidetti 和 Omenetto 在复制植物叶子时使用的丝材料中添加了一种染料，使它们能够追踪从一个细胞移动到另一个细胞的光线。这种生物材料还模仿了叶子的曲线和松软度，这又使叶子能够更好地吸收光线，并能够将光线分布到整个叶子上。
Guidetti 和 Omenetto 写道：“这种基于植物的活体光学网络可以作为功能材料设计的灵感来源，这些功能材料可以以柔软、保形和可持续的材料形式高效地收集、操纵和处理光，正如通过复制叶子的活体结构所初步证明的那样。”
这是“光学网络在生物系统中的首次展示，因为据我们所知，此前从未在任何植物中报道过类似的东西——一种可以通过有序的细胞透镜组合来管理光的系统”，Omenetto 补充道。
研究人员目前正在筛选宝石兰科的其他植物，将植物细胞的形状与中高光照条件下的细胞形状进行比较，并制作叶子结构的复制品，寻找能够更有效地捕获光的植物。
他们还计划进行实验，看看改变宝石兰所处的光照条件是否会改变光共享网络的工作方式。
更多信息： Giulia Guidetti 等人，兰花叶片中活体光学网络的发现为软曲线材料形式的光收集和再分配提供了灵感，先进光学材料(2024)。DOI ：10.1002/adom.202401729
期刊信息： 先进光学材料
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